Linux驱动程序的并发控制 李安强 www.embedu.orgØ2 版权版权 } 华清远见嵌入式培训中心版权所有； } 未经华清远见明确许可，不能为任何目的以任何形式复制 或传播此文档的任何部分； } 本文档包含的信息如有更改，恕不另行通知； } 保留所有权利。 } 并发：多个执行单元同时被执行。 } 竞态：并发的执行单元对共享资源（硬件资 源和软件上的全局变量等）的访问导致的竞 争状态 并发与竞态 www.embedu.org } 临界资源： 任何时候只允许一个进程使用的资源为临界资源 临界区： 访问临界资源的代码段为临界区 www.embedu.org 竟态产生的原因 } 对称多处理器（SMP）的多个CPU } SMP是一种紧耦合,共享存储的系统模型，它的特 点是多个CPU使用共同的系统总线，因此可访问 共同的外设和存储器 www.embedu.org } 单CPU内进程与抢占它的进程 } Linux2.6内核支持抢占调度，一个进程在内核执行 的时候被另一高优先级的进程打断，进程与抢占 它的进程访问共享资源的情况类似于SMP www.embedu.org } 中断（硬中断、软中断、Tasklet、底半部）与进 程之间 } 中断可以打断正在执行的进程，如果中断处理程 序访问进程正在访问的资源，则竞态也会发生 } 中断也有可能被新的更高级优先级中断中断，因 此，多个中断之间本身也可能引起竞态 www.embedu.org 例： if (copy_from_user(&(dev->data[pos]), buf, count)) ret = -EFAULT; goto out; 假设有 2 个进程试图同时向一个设备的相 同位置写入数据，就会造成数据混乱。 一个设备被多个进程打开 并发与竞态 www.embedu.org 并发与竞态 处理并发的常用技术是加锁或者互斥，即确 保在任何时间只有一个执行单元可以操作共 享资源。在Linux内核中主要通过semaphore 机制和spin_lock机制实现。 www.embedu.org 中断屏蔽 } 可以保证正在执行的内核执行路径不被中断处理 程序抢占,由于Linux内核的进程调度都依赖中断来 实现，内核抢占进程之间的竞态就不存在了 } 通过禁止中断的手段，排除单处理器上的并发， 会导致中断延迟 www.embedu.org } 使用方法: } local_irq_disable()//屏蔽中断 } critical section//临界区 } local_irq_enable()//开中断 } 说明： } local_irq_disable()和local_irq_enable()都只能 禁止和使能本CPU内的中断，并不能解决SMP多 CPU引发的竞争。 www.embedu.org } 缺点: } 由于Linux系统的异步I/O,进程调度等很多重 要操作都依赖于中断，在屏蔽中断期间所有的中 断都无法处理，因此长时间屏蔽中断是很危险的 ，有可能造成数据丢失甚至系统崩溃。 www.embedu.org 使用场合 } 1)中断与正常进程共享数据 2)多个中断共享数据 3)临界区一般很短 www.embedu.org 原子操作 } 原子操作保证所有指令以原子方式执行(执行过程 不能被中断) www.embedu.org 整形原子操作 } 针对整数的原子操作只能对atomic_t类型的数据进行处理 ，在这里之所以引入了一个特殊的数据类型，而没有直接 使用C语言的int型，主要是出于两个原因： } 1）让原子函数只接受atomic_t类型的操作数，可以确保原 子操作只与这种特殊类型数据一起使用，同时，这也确保 了该类型的数据不会被传递给其它任何非原子函数； } 2）使用atomic_t类型确保编译器不对相应的值进行访问优 化——这点使得原子操作最终接收到正确的内存地址，而 不是一个别名，最后就是在不同体系结构上实现原子操作 的时候，使用atomic_t可以屏蔽其间的差异。 } www.embedu.org } 1)设置原子变量的值 } void atomic_set(atomic_t *v, int i);//设置原子变量的 值为i } atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);//定义原子变量v并 初始化为0 2)获取原子变量的值 atomic_read(atomic_t *v);//返回原子变量的值 www.embedu.org } 3)原子变量加/减 } void atomic_add(int i,atomic_t *v); //原子变量增加i } void atomic_sub(int i,atomic_t *v); //原子变量减少i } 4)原子变量自增/自减 } void atomic_inc(atomic_t *v); //原子变量加1 } void atomic_dec(atomic_t *v); //原子变量减1 www.embedu.org } 5)操作并测试 } int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);//这些操作对原 子变量执行自增,自减,减操作后测试是否为0,是返 回true,否则返回false } int atomic_dec_and_test(atomic_t *v); } int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v); www.embedu.org } 6)操作并返回 } int atomic_add_return(int i,atomic_t *v); //这些操作 对原子变量进行对应操作，并返回新的值。 } int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v); } int atomic_inc_return(atomic *v); } int atomic_dec_return(atomic_t *v); www.embedu.org 位原子操作 } 针对位这一级数据进行操作的函数，是对普通的 内存地址进行操作的。它的参数是一个指针和一 个位号。 www.embedu.org } 1)设置位 } void set_bit(nr, void *addr); //设置addr地址的第nr位 ，所谓设置位即将位写为1 } 2)清除位 } void clear_bit(nr,void *addr); //清除addr地址的第nr 位，所谓清除位即将位写为0 } 3)改变位 } void change_bit(nr,void *addr); //对addr地址的第nr 位反置 www.embedu.org } 4)测试位 } void test_bit(nr, void *addr); //返回addr地址的第nr 位 } 5)测试并操作位 } int test_and_set_bit(nr, void *addr); } int test_and_clear_bit(nr, void *addr); } int test_and_change_bit(nr, void *addr); www.embedu.org 原子变量的使用实例 } 原子变量的使用实例：最多只能被一个进程打开 static atomic_t xxx_available = ATOMIC_INIT(1); /*定义原子变量*/ static int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp) { ... if (!atomic_dec_and_test(&xxx_available)) { atomic_inc(&xxx_available); return -EBUSY; /*已经打开*/ }... return 0; /* 成功 */ } static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp) { atomic_inc(&xxx_available); /* 释放设备 */ return 0; } www.embedu.org 使用场合 } 1)共享简单的数据类型：整型，比特性 2)适合高效率的场合 www.embedu.org 自旋锁 } 自旋锁（spin lock）是一种对临界资源进行互斥手 访问的典型手段 } CPU上将要执行的代码将会执行一个测试并设置 某个内存变量的原子操作,若测试结果表明锁已经 空闲,则程序获得这个自旋 锁继续运行;若仍被占用, 则程序将在一个小的循环内重复测试这个“测试并 设置”的操作.这就是自旋。 www.embedu.org } 自旋锁就是针对SMP或单个CPU但内核可抢占的 情况，对于单CPU和内核不可抢占的系统，自旋 锁退化为空操作。 } 还有就是自旋锁解决了临界区不受别的CPU和本 CPU内的抢占进程打扰，但是得到锁的代码路径 在执行临界区的时候还可能受到中断和底半部的 影响。 www.embedu.org } Linux系统中与自旋锁相关的操作主要有如下4种。 } 1．定义自旋锁 } spinlock_t spin; } 2．初始化自旋锁 } spin_lock_init(lock) } 3．获得自旋锁 } spin_lock(lock) //该宏用于获得自旋锁lock，如果能够立即获得锁，它就马上返回，否则， 它将自旋 在那里，直到该自旋锁的保持者释放； } spin_trylock(lock) //该宏尝试获得自旋锁lock，如果能立即获得锁，它获得锁并返回真， 否则立即返回假，实际上不再“在原地打转”； } 4．释放自旋锁 } spin_unlock(lock) //该宏释放自旋锁lock，它与spin_trylock或spin_lock配对使用。 www.embedu.org 自旋锁使用举例 } 使用自旋锁使设备只能被一个进程打开 intxxx_count= 0;/*定义文件打开次数计数*/ static intxxx_open(structinode*inode, structfile *filp) { ... spinlock(&xxx_lock); if (xxx_count)/*已经打开*/ { spin_unlock(&xxx_lock); return -EBUSY; } xxx_count++;/*增加使用计数*/ spin_unlock(&xxx_lock); ... return 0; /* 成功 */ } static intxxx_release(structinode*inode, structfile *filp) { ... spinlock(&xxx_lock); xxx_count--; /*减少使用计数*/ spin_unlock(&xxx_lock); return 0; } www.embedu.org 使用场合 } 1)用于多处理器间共享数据 2)在可抢占的内核线程里共享数据 3)自旋锁适合于保持时间非常短的情况， www.embedu.org 信号量 } 信号量（semaphore）是用于保护临界区的一种常 用方法，它的使用方式和自旋锁类似。与自旋锁 相同，只有得到信号量的进程才能执行临界区代 码。但是，与自旋锁不同的是，当获取不到信号 量时，进程不会原地打转而是进入休眠等待状态 www.embedu.org 信号量相关操作 } 定义信号量 } struct semaphore sem; } 初始化信号量 } void sema_init (struct semaphore *sem, int val); } void init_MUTEX(struct semaphore *sem);//初始化为0 } 获得信号量 } void down(struct semaphore * sem); } int down_interruptible(struct semaphore * sem); } int down_trylock(struct semaphore * sem); } 释放信号量 } void up(struct semaphore * sem); www.embedu.org 信号量使用实例 } 使用信号量实现设备只能被一个进程打开 static DECLARE_MUTEX(xxx_lock);//定义互斥锁 static int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp) { ... if (down_trylock(&xxx_lock)) //获得打开锁 return -EBUSY; //设备忙 ... return 0; /* 成功 */ } static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp) { up(&xxx_lock); //释放打开锁 return 0; } www.embedu.org 使用场合 } 1)适合于共享区保持时间较长的情况 2)只能用于进程上下文 www.embedu.org 自旋锁vs信号量 } 自旋锁和信号量选用的3项原则 } 1、判断进程切换时间Tsw，和等待获取自旋锁（由临界 区执行时间决定）Tcs。如果若Tcs比较小，应使用自旋 锁，若Tcs很大，应使用信号量。 } 2、信号量所保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码， 而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区。 因为阻塞意味着要进行进程的切换，如果进程被切换出 去后，另一个进程企图获取本自旋锁，死锁就会发生 } 3、信号量存在于进程上下文，因此，如果被保护的共享 资源需要在中断或软中断情况下使用，则在信号量和自 旋锁之间只能选择自旋锁。当然，如果一定要使用信号 量，则只能通过down_trylock()方式进行，不能获取就立 即返回以避免阻塞。 www.embedu.org } } } 实例分析 www.embedu.org 华清远见培训相关课程 } 嵌入式Linux工程师就业班 } 3G Android系统开发就业班 } 嵌入式Linux应用开发 } 嵌入式Linux驱动开发班 www.embedu.org } www.embedu.org